生物化学课件：第01章蛋白质的结构与功能(7版）

1、1,第 一 章 蛋白质的结构与功能,Structure and Function of Protein,2,什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。,3,第 一 节 蛋白质的分子组成,The Molecular Component of Protein,4,总特点：,结构基础,蛋白质是所有细胞、组织、器官的重要组成成分,生物催化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递 其他功能,功用,含量高、,种类繁多、功能多样,普遍存在、,功能基础,氧化供能,5,元素组成：,分子组成：,主要含C、H、O、N

2、和S 有些蛋白含磷/铁、铜、锌、锰、钴、钼 个别蛋白质含碘,（平均16）,体内的含氮物质主要是蛋白质,得出计算公式,100克生物样品中蛋白质的含量 ( g % ) 每克样品含氮克数 6.25100,氨基酸是蛋白质分子的基本组成单位,6,一、蛋白质的基本组成单位氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸、脯氨酸除外）。,7,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,8,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,9,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,

3、10,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,（甲硫氨酸）,11,(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,12,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,（四） 酸性氨基酸（两个羧基）,（五） 碱性氨基酸（两个以上氨基）,目 录,13,其它分类也能体现氨基酸的性质,如亚氨基酸（环状）,Pro,含硫氨基酸,Cys （半胱） 、Met（蛋）,含羟基氨基酸,Tyr（酪

4、） 、Ser （丝）、 Thr（苏）,羟基的磷酸化与去磷酸化调节,14,20种氨基酸如何记？,亚氨基酸（环状）,Pro（脯）,含硫氨基酸,Cys （半胱） 、Met（蛋）,含羟基氨基酸,Tyr（酪） 、Ser （丝）、 Thr（苏）,酸性：Asp（天冬）、 Glu （谷） 碱性：Lys（赖）、Arg（精）、His（组）,甘（Gly）、丙（Ala）、缬（Val）、 亮（Leu）、异亮（Ile）、 天冬酰胺（ Asn ）、谷氨酰胺（ Gln）,三字经,芳香族：Tyr（酪）、Phe（苯）、Trp（色）,15,营养学上对氨基酸的分类,必需氨基酸：,非必需氨基酸：,动物自身不能合成而必须从食物中获得，缺

5、乏会导致营养不良。,人体有8种:甲硫/蛋、色、缬、异亮、 亮、苯丙、苏、赖。,8种以外,“假设借一两本书来”,16,修饰氨基酸： 蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。 非生蛋白氨基酸： 蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生的。,17,pH=pI,pHpI,pHpI,兼性离子,三、氨基酸的理化性质,1. 两性解离,两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,18,氨基酸的滴定曲线,-COOH 首先被解离，随后-NH3 被解离，解离常数分别为pK1和pK2。 等电点 (pI) pI1/2

6、*（pK1 pK2） 3. pH低于pI 氨基酸带正电荷 4. pH高于 pI 氨基酸带负电荷,19,2.芳香族氨基酸紫外吸收,色氨酸、酪氨酸,芳香族氨基酸的吸收光谱,280 nm:,多数蛋白含这两种氨基酸残基，测定蛋白溶液280nm光吸收值可快速简便分析蛋白含量。,光密度,20,3. 茚三酮反应(ninhydrin reaction),原理：氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。,4.氨基酸的其它性质,旋光性及晶体性质等,应用：此法可以对氨基酸进行定量分析（吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系）。,21,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,（一）肽（peptide),肽

7、键的形成,四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,22,肽链的两个末端,肽键,23,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,24,肽(peptide) 肽键( peptide bond) 寡肽(oligopeptide) 多肽(polypeptide) 多肽链( polypeptide chain ） 氨基酸残基(residue) 肽链两端,一组概念：,25,（二）生物活性肽,人体内具有特殊生物活性的肽类，如：,谷胱甘肽（glutathione，GSH）,谷胱甘肽的结构,谷胱甘肽参加的反应及功能,26,寡肽、多肽类激素,神经肽（neropeptide）中有一些是多肽，如脑啡肽、内啡肽、强啡肽、P物质等

8、。,促甲状腺素释放激素（3肽）、催产素（9肽）、加压素（9肽）等,在神经传导过程中起信号转导作用。,27,第 二 节 蛋白质的分子结构,The Molecular Structure of Protein,28,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,蛋白质结构的四个层次,29,一、蛋白质的一级结构(primary structure),什么是？,多肽链中从NC端氨基酸的排列顺序。,主要的化学键,肽键,有些蛋白质还包括二硫键,30,可测序得到蛋白质一级结构的氨基酸序列 蛋白质数据库（updated protein database）,一级结构的阐明具有重要意义：,31,二、蛋白质的二级结构(s

9、econdary structure),蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象 。,(关键词:局部、肽段、主链),什么是？,二级结构的主要化学键,氢键,二级结构的基本单位,肽单元,32,（一）二级结构的基础肽单元(peptide unit),对肽单元的说明：,C1和C2为反式(trans)构型,O和H也是反式构型。,肽键键长0.132nm,0.149 nm,0.127 nm ,C1、C、O、N、H、C2 6个原子在同一平面,称为肽键平面。,肽键的C及N周围三个键角之和均为360。,33,相邻2肽单元（肽键平面）的相对空间位置,酰胺

10、平面-1,酰胺平面-2,C与羰基Co和N相连的单键能自由旋转，角度为 、 ,该旋转角度决定了相邻2肽单元的相对空间位置。,34,35,外观：右手螺旋,-螺旋结构要点：,（二） -螺旋 ( -helix ),螺距：3.6个氨基酸、0.54nm。,维持因素：氢键。,R基团的位置：螺旋外侧， R基团影响-螺旋的形成。,36,肽段折纸状、锯齿状，相对伸展。,-折叠（-片层）结构要点：,（三） -折叠 ( -pleated sheet ),几个肽段顺向平行、反向平行0.70nm。,维持因素：氢键。,R基团的位置：锯齿的上下方。,37,-螺旋和-折叠结构比较,区别点 -螺旋 -折叠,形 状 螺旋状 锯齿状

11、,氢 键 链内，与长轴平行 链间，与长轴垂直,R-基团 较大 较小,延伸性 较大 较小,升1AA残基高度 0 .15nm 0.36nm,举 例 毛发角蛋白 蚕丝蛋白,38,4个氨基酸残基 第二个常为脯氨酸 180回折 氢键维持,无确定规律性的肽段的结构,-转角结构要点：,无规卷曲：,（四） -转角和无规卷曲,39,40,二个或三个二级结构 空间上靠近 特殊的构象 特殊的功能,（五）模体（motif）或超二级结构,定义,举例,41,R基团的电荷,R基团的大小,R基团的形状,（六）氨基酸侧链基团R对二级结构的影响,酸性或碱性AA集中的区域（同种电荷的相斥）,较大的R侧链集中，不利于-螺旋形成（空间

12、位阻效应）,脯氨酸，不利于-螺旋形成（亚氨基酸）,42,三、蛋白质的三级结构(tertiary structure),疏水键、离子键、氢键、 Van der Waals力、二硫键等。,整条肽链 全部氨基酸 所有原子,（一）什么是?,主要的次级键：,三维空间的位置排布,43,肌红蛋白 (Mb),44,维持蛋白质分子构象的各种化学键,a 氢键,b 离子键,c 疏水键,三级结构中疏水键数量最多，往往居于球状蛋白质内部。,+,45,（二）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域。（三级结构中具有特异结构和独立功能的区域）,46,3-

13、磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构域示意图,3-磷酸甘油醛脱氢酶，每个亚基由两个结构域组成，N端形成的第一个结构域能与NAD+结合，第二个结构域（147-333氨基酸）能与底物3-磷酸甘油醛结合。,47,分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋 白质折叠成天然构象或形成四级结构。,1.能可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。,2.可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,3. 在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。,具体作用：,（三）分子伴侣(chaperon),48,四级结构,亚基 (subunit),维持因素,2或2

14、条以上多肽链，每一条多肽链具有完整的三级结构，并以非共价键相连。,四级结构中每条具有完整三级结构的多肽链,次级键：离子键、疏水键、氢键 无共价键,四、蛋白质的四级结构(quaternary structure),（多条肽链之间的作用）,49,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,定义,肽键,氨基酸残基,基本单位,主要键,备注,模体,肽单元,整条肽链,亚基,氢键,疏离氢Van,离氢,结构域,亚基,蛋白质结构层次比较,50,51,第 三 节 蛋白质结构与功能的关系,The Relation of Structure and Function of Protein,52,（一）一级结构是空间构象的

15、基础,一、一级结构与功能的关系,（二）一级结构与功能的关系,53,（一）肌红蛋白与血红蛋白的结构,二、空间结构与功能的关系,54,55,血红素是4个吡咯环相连形成的平板状铁卟啉化合物，Fe2居于卟啉环的中央， Fe2有6个配位键，其中4个与吡咯环的N原子相连，1个与肽链中的F8组氨酸残基结合，O2则与第6个配位键相结合。2个丙酸侧链与肽链的两个碱性aa残基的正电荷相连。,56,血红蛋白(hemoglobin，Hb),血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。 Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。,57,Hb结构,22：,亚基间8条

16、盐键 每一亚基有螺旋区A、B,血红素：,2个丙酸侧链,两个碱性aa残基的正电荷,F8组aa残基,血红素结构,Fe2+的6个配位键之一,58,第一个氧分子与Fe2+结合,Fe2+半径变小，进入卟啉平面,牵动F8组aa残基,牵动其它亚基,Hb由T型变R型,第二亚基结合氧的速度,第三亚基结合氧的速度,第四亚基结合氧的速度,（二）血红蛋白的构象变化与结合氧,59,变构效应(allosteric effect):,正协同效应（positive） 负协同效应（negative）,蛋白质空间结构的改变引起其功能的变化。,变构效应剂/配体 协同效应(cooperativity),几个概念：,60,（三）蛋白质

17、构象改变与疾病,蛋白质构象疾病：蛋白质的折叠错误构象改变 影响功能导致疾病。,发病机理：蛋白质错误折叠相互聚集，形成抗蛋白 水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性。,包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、 亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。,61,疯牛病中的蛋白质构象改变,PrPc -螺旋,62,第 四 节 蛋白质的理化性质,The Physical and Chemical Characters of Protein,63,一、蛋白质具有两性电离的性质,当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,蛋白质的等电点( isoele

18、ctric point, pI),体液中蛋白质的存在形式？,64,二、蛋白质的胶体性质,蛋白质胶体 的稳定因素,蛋白质为生物大分子，分子直径在胶粒范围。,颗粒表面电荷,水化膜,65,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,变性的本质：破坏非共价键和二硫键，肽键未 被破坏，一级结构未改变。,应用：变性和防止变性可用来消毒灭菌和保存 蛋白质制剂等。,1.蛋白质的变性(denaturation)与复性,定义：理化因素作用下空间构象改变理化性质改变，生物活性的丧失。,复性(renaturation)：若去除变性因素后，蛋白 质仍可恢复原有的构象和功能。,66,蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀（precipitation）,2. Whats precipitation of protein?,变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是变性的蛋白质。,67,加热使蛋白质变性并凝聚成块状称为凝固（coagulation） 凝固的蛋白质一定发生变性。,3. Whats coagulation of pro